【摘要】：城市污水處理廠污泥的大量產(chǎn)生已成為目前亟待解決的環(huán)境問題，轉(zhuǎn)變污泥處置思路，尋求合理的污泥資源化途徑是當(dāng)前研究的重點。微生物脫鹽電池（Microbial Desalination Cells, MDC）能夠在利用污泥中的有機物進行產(chǎn)電的同時淡化鹽水，為污泥的能源化資源化利用提供了新的契機。然而，目前對于MDC系統(tǒng)性能的研究尚處于初步階段，在底物研究中，直接采用城市污水處理廠常規(guī)脫水處理后產(chǎn)生的污泥作為陽極底物的報道還很少，而對于產(chǎn)電后剩余陽極污泥的后續(xù)資源化也有待進一步深入研究。 本文提出了將脫水污泥作為MDC陽極底物進行產(chǎn)電、脫鹽的能源化利用方式，以及利用處理后的陽極污泥改良鹽堿化土壤的資源化利用方式。為了提高MDC性能和有效避免由于脫鹽導(dǎo)致的陽極污泥鹽分過量累積，對MDC構(gòu)型進行了改進，構(gòu)建了五室微生物脫鹽電池（5c-MDC）、五室微生物電容型脫鹽電池（5c-MCDC）和七室微生物雙脫鹽電池（7c-MDDC）三種構(gòu)型的MDC，并研究它們的產(chǎn)電脫鹽性能、陽極污泥中有機物降解、重金屬形態(tài)轉(zhuǎn)化和植物營養(yǎng)特征變化規(guī)律，進而研究了脫水污泥和陽極處理后污泥對鹽堿化土壤的改良作用和重金屬的潛在生態(tài)風(fēng)險。 研究結(jié)果表明：以脫水污泥為陽極底物的MDC具有啟動快（5~6d），長期運行穩(wěn)定的優(yōu)勢（200~300d）。三種構(gòu)型的MDC產(chǎn)電效率相近，且以5c-MDC的產(chǎn)電效率最高，Pmax可達(dá)3.178W/m3。脫鹽性能方面，5c-MDC的脫鹽效率最高，且脫鹽效率隨著NaCl初始濃度的升高而降低，即61.48±0.10%（2g/L）52.50±0.26%（10g/L）48.30±0.61%（35g/L）。5c-MCDC和7c-MDDC均可以有效避免陽極污泥鹽分的增加。在污泥降解方面，7c-MDDC的效果最好，運行42d陽極污泥的有機質(zhì)去除率達(dá)到17.71%，200d達(dá)到32.7±0.81%，且污泥中速效氮、磷、鉀含量的增加最為明顯。運行42d陽極污泥浸提液種子發(fā)芽指數(shù)可達(dá)到66.63±3.02%。對5c-MDC與7c-MDDC長期運行性能的研究中發(fā)現(xiàn)：隨運行時間的延長，陽極污泥的pH值始終維持在6.5~7.5之間，污泥溶解性有機物中腐植酸類熒光峰強度明顯增加，重金屬形態(tài)組成中穩(wěn)定的殘留態(tài)比例明顯增加，重金屬的生物有效性降低明顯。 以脫水污泥和陽極污泥改良鹽堿化土壤的結(jié)果表明：兩者均可以降低土壤的容重、pH值、堿化度，并增加土壤中有機質(zhì)、總氮、總磷、速效氮、磷、鉀的含量，且陽極污泥的效果要優(yōu)于脫水污泥。當(dāng)污泥投加比例超過30%可使土壤容重降低到1g/cm3以下，pH降低1~2個單位，堿化度降低到30%以下，并使得土壤有機質(zhì)增加2.0~5.9倍，總氮增加1.5~4.6倍，總磷增加1.5~4.5倍，速效氮增加3.7~10.5倍，速效磷增加4.1~19.7倍，速效鉀增加1.1~1.8倍；隨孵育時間的延長，施用污泥后土壤的容重、pH值、堿化度、有機質(zhì)、總氮含量持續(xù)降低；速效氮、磷、鉀含量逐漸增加。種子發(fā)芽試驗和作物盆栽實驗均得到了污泥合理投加比例為30%~50%。經(jīng)過長期孵育和植物生長后，施用污泥的鹽堿化土壤中0.05~1mm微團聚體比例增加，土壤溶解性有機物中溶解性微生物產(chǎn)物、富里酸和腐植酸的熒光強度均有所增加，表明污泥的施用促進了團聚體的形成，增加了土壤中微生物的活性，提高了土壤的腐殖化程度。然而，兩種污泥的施入均會增加土壤中重金屬的生態(tài)風(fēng)險，在施用初期重金屬生物有效性也有所增強，但重金屬含量仍明顯低于土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，形態(tài)上仍以殘留態(tài)比例最高。經(jīng)過長期的孵育，除As外，其余元素生物有效性均有所降低，并向更穩(wěn)定殘留態(tài)轉(zhuǎn)化。5種可檢測到的重金屬和類重金屬元素在土壤/小麥和土壤/紫花苜蓿中的富集系數(shù)依次是Ni，Zn，B，Cu，Cr，且同種元素在紫花苜蓿中的富集系數(shù)大于在小麥種的富集系數(shù)。 本文提供了一條系統(tǒng)化的脫水污泥綜合利用途徑，可為MDC的性能優(yōu)化與功能拓展，以及污泥改良鹽堿化土壤的實踐提供一定的理論依據(jù)。
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類號】：X703.1
【圖文】：

Fig.1-1 Working principle of MDC脫鹽電池性能的因素分析池在理想狀態(tài)下的熱力學(xué)電壓 Ethermo（V）可實際運行過程中難免出現(xiàn)能量損失，因此實去各種主要的能量損失的電壓，如式（1-6）[ ln( )0RTEE

技術(shù)路線圖

Fig. 2-1 Schematic of biocathode 5c-MDC reactor（2）石墨粒；（3）陰離子交換膜；（4）陽離子交換膜；（5）Ag/氧泵；（7）曝氣頭；（8）氣泡；（9）電阻箱；（10）進口；（12）取樣口te fiber brush; (2) graphite granules; (3) anion-exchange membraon-exchange membranes (CEM); (5) Ag/AgCl reference; (6) air (8) air bubbles; (9) external resistance; (10) inlet; (11) outlet; (12

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2776109